电子显微学-part1

第六章电子显微技术透射电子显微镜•f•f2f•物体在2倍焦距之外,在另一侧成倒立、缩小的实像。2f照相机凸透镜成像原理•F•F’2f•物体在焦点和二倍焦距之间时，在另一侧成倒立、放大的实像。投影机2f•F•物体在焦点以内，在透镜同侧成正立、放大的虚像放大镜F’透镜的放大倍数物距、像距、焦距放大倍数可以表示为：ufv111uvfMvfvfMuuffαP’象P’’透镜物P光轴球差球差是由于透镜中心区域和边缘区域对光线会聚能力不同而造成的。通常远轴光线通过透镜时被折射得比近轴光线厉害得多，因而有同一物点发出的光经过透镜后不交在一点上，而是在透镜相平面上变成了一个漫射圆斑。平面BPA透镜平面物P光轴PBfA平面A像散像散是由于透镜的本身光轴不对称所引起的一种像差。透镜对不同平面上光线的折射能力不一样，光线经透镜后形成界面为椭圆状的光束，是圆形物点的像变成了一个漫射圆斑。能量为E的电子轨迹象1透镜物P光轴色差能量为E-E的电子轨迹象2色差是由于透镜对不同波长的光有不同折射率引起。物平面枕形畸变桶形畸变畸变由于光的衍射，使得由物平面内的点O1、O2在象平面形成一B1、B2圆斑（Airy斑）。若O1、O2靠得太近，过分重叠，图象就模糊不清。O1O2dLB2B1Md强度D图（a）点O1、O2形成两个Airy斑；图（b）是强度分布。（a）（b）最小分辨率图（c）两个Airy斑明显可分辨出。图（d）两个Airy斑刚好可分辨出。图（e）两个Airy斑分辨不出。I0.81I0.610.611sin2dnNA最小分辨距离计算公式：d指物镜能够分开两个点之间的最短距离，称为物镜的分辨本领或分辨能力；λ为入射光的波长；n为透镜周围介质的折射率α为物镜的半孔径角NA为数值孔径对于可见光的波长在390~770nm之间，光学显微镜其最小的分辨能力为0.2μm0.210000.2dmmMdm人眼有效透镜由于人眼的分辨率为0.2mm。光学显微镜的有效放大倍数为：0.610.611sin2dnNA光学镜头的放大倍数越大，其孔径角越大。景深：透镜物平面允许的轴向偏差。不影响透镜成像分辨本领的前提下，物平面可沿透镜轴移动的距离。反映了试样在物平面上下沿轴运动的距离或试样超过物平面所允许的厚度。原理上讲，当透镜焦距、像距一定时，只有一层样品平面与透镜的理想物平面重合，能在透镜像平面获得该层平面的理想图像。偏离理想物平面的物点都存在一定程度的失焦，它们在透镜像平面上将产生一个具有一定尺寸的失焦圆斑。如果失焦圆斑的尺寸不超过由衍射效应和球差引起的散焦斑，那么，对于透镜像的分辨本领并不产生什么影响。2fdDd物镜的分辨率物镜的孔径角焦深：透镜像平面允许的轴向偏差。不影响透镜成像分辨本领的前提下，像平面可沿透镜轴移动的距离。反映了观察屏或照相底版可在像平面上下沿轴运动的距离。当透镜焦距、物距一定时，像平面在一定的轴向距离内移动时也会引起失焦，如果失焦斑的尺寸不超过由衍射效应和球差引起的散焦斑，对分辨本领无影响。22122ifMdMdDMD虽然光学镜头可以通过组合设计对球差、像散能很好消除，但对于分辨率的提高和景深的增加却无能为力。NAM焦深景深NAM焦深景深NA焦深景深0.10.1315.50.43.85.8.9580.00.19由于光学镜头的NA.决定其放大倍数，NA越大，放大倍数越大，所以对于光学镜头而言，放大倍数越大景深越小。光学显微镜垂直景深一般小于15.5m对于光学显微镜样品要求较严格薄片状透光样品或者抛光表面GlassslidespecimenCoverglass20μm阿贝认为在相干平行光照射下，显微镜的成像可分为两个步骤。第一个步骤是通过物的衍射在物镜后焦面上形成一个初级干涉图；第二个步骤则为物镜后焦面上的初级干涉图复合为像。这就是通常所说的阿贝成像原理。阿贝成像原理61225(10.978810)VV。＝电子具有波粒二像性，其波长可由其动能算出对于透射电子显微镜而言，n=1,0.1rad0.61d由于球差难以消除，由球差带来的发散光斑直径：314ssdC可见要提高分辨率，必须增加孔径角，但增加孔径角会同时造成球差发散使得分辨率下降。当时，可以得到最佳孔径角：sdd考虑球差后，实际分辨率：1344sAC1401.25sC透射电镜和光学显微镜的光路比较OMTEM照明源可见光（λ=390－770）（nm）电子束（λ=0.0037nm）透镜玻璃磁观察方式直接(眼)间接(荧光屏)最大放大倍数1500×百万倍最佳分辨率200nm0.2nm工作介质空气、油浸真空试样光片、薄片薄膜成像放大装置物镜、目镜2级放大物镜、中间镜、投影镜3－5级放大聚焦方式改变物镜与试样的距离改变物镜聚焦电流电子与样品相互作用(EDS)(EELS)SAED&CBEDdiffractionBFDFHREMImagingTEM可以做什么?•电子像及衍射花样成像-质厚、衍射及相位衬度衍射-选区电子衍射(SAED)研究晶体结构化学分析X射线能谱（EDS，WDS）BasicfeaturesofAModernTEMElectronGunEDSDetectorCondenserLensSpecimenHolderObjectiveLensMagnifyingLensesCM200(200kV)SADApertureTVMonitorViewingChamberCameraChamberCost:~$4,000,000ColumnBinocular真空系统为了避免电子束被空气散射，样品附近的真空度必须达到10-7Torr.电子枪的真空度：对普通LaB6和钨丝枪，真空度为10-7Torr、场发射电子枪真空度为10-9Torr。投影腔中的真空度通常只有10-5Torr甚至更差binocularnegativesscreenTEM的光路图Controlbrightness,convergenceControlcontrastElectronBeamSource场发射电子枪W丝的尖端非常尖锐(半径0.1m)由于尖端效应，尖端电压非常高(107V/cm)电子被高电场从W丝尖端激发超高真空(低于10-6Pa)以保证激发的电子不同空气分子发生碰撞电子束直径可1nm低温电子枪磁透镜的放大倍数电磁透镜的焦距式中：k－常数V－加速电压(IN)－安匝数I－通过线圈导线的电流，N－线圈每厘米长度上的圈数由此可知I增加，则f降低，在像距一定的情况下，放大倍数增加。物距、像距、焦距放大倍数可以表示为：ufv111uvfMvfvfMuuff与光学显微镜不同，磁透镜的焦距可以通过改变线圈的电流来改变2VfkIN成像系统由物镜、中间镜和投影镜与样品室构成。（1）物镜成一次像。决定透射电镜的分辨本领，要求它有尽可能高的分辨本领、足够高的放大倍数和尽可能小的像差。通常采用强励磁，短焦距的物镜。放大倍数较高，一般为100～300倍。目前高质量物镜分辨率可达0.1nm左右。（2）中间镜成二次像。弱激磁的长焦距变倍透镜，0～20倍可调。（3）投影镜短焦距强磁透镜，最后一级放大像，最终显示到荧光屏上，称为三级放大成像。具有很大的场深和焦深。样品在物镜的物平面上，物镜的像平面是中间镜的物平面，中间镜的像平面是投影镜的物平面，荧光屏在投影镜的像平面上。物镜和投影镜的放大倍数固定，通过改变中间镜的电流来调节电镜总M。M越大，成像亮度越低，成像亮度与M2成反比。高性能TEM大都采用5级透镜放大，中间镜和投影镜有两级。放大成像操作：中间镜的物平面和物镜的像平面重合，荧光屏上得到放大像。电子衍射操作：中间镜的物平面和物镜的后焦面重合，得到电子衍射花样。2MMMMAIB总物中投中＝＝－式中：－常数－中间镜激磁电流，BA、中I景深：2fdD通常物镜的景深为1微米（远远大于被测样品的厚度）焦深：终像的焦长很长，一般超过10－20cm，甚至更长。放大倍数越大，焦深越大。这一特点给图像拍照记录带来极大方便，只要在荧光屏上图像聚焦清晰，在其上下一定距离（焦深允许范围内）放置底片，拍摄出的图像也是清晰的。222ifdMDMD样品制备对于TEM常用的50～200kV电子束，样品厚度控制在100～200nm，样品经铜网承载，装入样品台，放入样品室进行观察。TEM样品制备方法有很多，常用支持膜法、晶体薄膜法、复型法和超薄切片法4种。粉末试样多采用此方法。将试样载在支持膜上，再用铜网承载。支持膜的作用是支撑粉末试样，铜网的作用是加强支持膜。支持膜法3mm支持膜材料必须具备的条件：①无结构，对电子束的吸收不大；②颗粒度小，以提高样品分辨率；③有一定的力学强度和刚度，能承受电子束的照射而不变形、破裂。常用的支持膜材料：火棉胶、碳、氧化铝、聚乙酸甲基乙烯酯等。在火棉胶等塑料支持膜上镀一层碳，提高强度和耐热性，称为加强膜。支持膜上的粉末试样要求高度分散，可根据不同情况选用分散方法：①悬浮法：超声波分散器将粉末在与其不发生作用的溶液中分散成悬浮液，滴在支持膜上，干后即可。②散布法：直接撒在支持膜表面，叩击去掉多余，剩下的就分散在支持膜上。块状材料多采用此方法。通过减薄制成对电子束透明的薄膜样品。薄膜样品制备方法要求：①制备过程中不引起材料组织的变化。②薄，避免薄膜内不同层次图像的重叠，干扰分析。③具有一定的强度。晶体薄膜法超薄切片法--有机高分子薄膜样品制备步骤：①修剪样块②在液氮中冷冻或还氧树脂包覆③超薄切片机：用金刚石刀或玻璃刀进行超薄切片，薄膜样品一般控制在50nm左右双喷式电解抛光减薄离子减薄无机薄膜样品制备步骤：①切取：切取薄块（厚度0.5mm）②预减薄：用机械研磨、化学抛光、电解抛光减薄成“薄片”（0.1mm）③终减薄：用电解抛光、离子轰击减薄成“薄膜”（500nm）避免引起组织结构变化，不用或少用机械方法。终减薄时去除损伤层。样品支架asplitpolepieceobjectivelensholderbeamHeatingandstrainingTwinspecimenholderDoubletiltheating旋转,倾斜,加热,冷却和拉伸TEM的衬度形成方式衬度振幅衬度位相衬度质厚衬度衍射衬度明场相暗场相TEM显微像有两种：透射电子成像，散射电子成像。明场像（BF）：直射电子成像，像清晰。暗场像（DF）：散射电子成像，像有畸变、分辨率低。中心暗场像（CDF）：入射电子束对试样倾斜照明，得到的暗场像。像不畸变、分辨率高。明场像和暗场像成像电子的选择是通过在物镜的背焦面上插入物镜光阑来实现的。BF&DFImaging–DiffractionContrastObjectiveapertureC-filmamorphouscrystalDTBFimageC-filmcrystalDTC-filmcrystalDFimageDiffraction+mass-thicknessContrastObjectiveapertureDDFCDFBeamtiltT-transmittedD-diffractedHoleinOAOAOA非晶体样品衬度的主要来源。样品不同微区存在原子序数和厚度的差异形成的。来源于电子的非相干散射，Z越高，产生散射的比例越大；厚度d增加，将发生更多的散射。不同微区Z和d的差异，使进入物镜光阑并聚焦于像平面的散射电子的强度有差别，形成像的衬度。Z较高、样品较厚区域在屏上显示为较暗区域。图像上的衬度变化反映了样品相应区域的原子序数和厚度的变化。质厚衬度质厚衬度受物镜光阑孔径和加速V的影响。选择大孔径（较多散射电子参与成像），图像亮度增加，散射与非散射区域间的衬度降低。选择低电压（较多电子散射到光阑孔径外），衬度提高，亮度降低。PP/PA690/10w/w体系,RuO4染色晶体样品衬度的主要来源。样品中各部分满足衍射条件的程度不同